冲压机器人总体结构设计论文.doc

冲压用机器人总体结构设计 李茂金 刘彪 杜龙飞 许腾 田德宝(山东建筑大学)摘要：本文介绍一种冲床用双手臂工业机器人，来实现装备的自动化。在带有数控装置的的机床工作时，本次设计的工业机器人用以完成卸料、运输、堆垛、或在各种工艺用途的装备上完成所需的各种形式运动和顺序。该工业机器人还可以在一个或两个机床上工作，并与堆垛和运输装置一起形成柔性生产加工综合装置，用于在无人参与情况下长时间工作。0引言：机电一体化是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高技术1。机器人就是通过这种技术产生出来的机电一体化产品，它在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化、以及生活服务等许多领域获得越来越多地应用。工业机器人在提高产品质量、提高工作效率与制造精度、改善工人的劳动环境、降低工人强度、加快品种更新、促进生产方式柔性化、增强企业竞争力中具有重要地位。工业机器人（技术）正处于一个蓬勃发展的阶段，实现了实用化和商品化，在先进的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业2。并且，从一般工业机器人在各个生产领域中的推广应用到开发具有新构型、智能和功能强大、成为人类良好工作伙伴的工业机器人又将是一个飞跃。1 冲压用机器人机构1.1数控冲床用工业机器人手部机构的分析选择机械手是能够模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。多用途工业机械手的基本要求是能快速、准确地抓-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位等特性。设计机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。各系统相互之间的关系如图1.1所示。图1.1 机械手的基本组成本文主要是介绍一种5自由度数控冲床用工业机器人，来实现装备的自动化。在带有数控装置的的机床工作时，本次设计的工业机器人用以完成卸料、运输、堆垛、或在各种工艺用途的装备上完成所需的各种形式运动和顺序。该工业机器人还可以在一个或两个机床上工作，并与堆垛和运输装置一起形成柔性生产加工综合装置，用于在无人参与情况下长时间工作。其中有两种执行机构的设计方案：手臂数控冲床用工业机器人和双手臂数控冲床用工业机器人。但手臂机器人具有设计简便、运动较灵活、运动形式简单、经济性强、容易操作的优点，但也具有抓取工件不稳定、承受弯矩较大等缺点，这对加工精度以及机器人的使用寿命有很大影响。双手臂机器人虽然造价较高、运动和设计复杂的缺点，但是它的稳定性较高，承受的弯矩小等优点。考虑到我国工业机器人的发展状况，应该向着高、精、尖方向发展，所以本次设计中选取双手臂的形式作为执行机构。由于空气具有可压缩的特性，气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。能源可储存，压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断工作速度的稳定性较差，但冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。夹持器可分为夹持式和吸附式两种，考虑实际工作需要，本次设计选用夹持式气动式点控制通用机械手爪，并可根据不同的工件结构，选用不同类型的夹持器模块。手爪结构如图1.2所示。图1.2机械手爪的结构图1.2数控冲床用工业机器人提升机构的分析选择提升机构是工业机器人、自动化生产线的一个重要的组成部分，它担负着工件在垂直方向的运动，以及连接不同层面生产线的工作任务，尤其是在重工业生产中，随着工业自动化水平的提高，对提升机构的要求也越来越高，除了在竖直方向上的承受能力及运动，还要有精确的定位，稳定的运行状态。本设计中的多用途工业机器人的提升机构是工业机器人主体的一部分，它的主要任务是提升工业机器人的旋转机构和手臂，因此它必须有承重大，运动迅速，定位精确，可即时控制的特点。提升机构主体结构为气压缸、活塞杆及活塞。通过活塞杆带动活塞运动实现竖直位移提升动作。提升机构结构图如下图1.3所示，气缸如图竖直放置，机械手臂固定在可动气缸1的端部，它是提升驱动装置。该装置带活塞2的活塞杆3，它作为一个整体装配在机身上 。为使手臂提升，压缩空气通过端盖和活塞杆气孔a1传送到缸体的无活塞杆腔中。气体推动塞头竖直向上运动，从而带动手臂提升。为使手臂下降，压缩空气通过活塞杆气孔a2传送到缸体的有杆腔，气体推动缸体下降。即可以实现提升动作。图1.3 提升机构装配图（部分）1.3数控冲床用工业机器人回转机构的分析选择转动机构在工业机械手装置中起到了极其重要的作用：一方面通过齿轮齿条将齿条活塞对齿轮的力矩转化成轴的转矩；另一方面，轴传递转矩，驱使机械手手臂的转动。工业机器人转动装置主要结构组成如下所示：1. 小气缸 两个2. 大气缸 两个3. 齿轮 一个4. 转轴 一个5. 活塞1 两个 活塞的活塞杆制作成齿条形式。6. 活塞2 两个7. 活塞头 两个8. 非接触式行程传感器 两个9. 制动液压缸 两个2 气液传动系统的设计方案工业机器人主要用于中小规模下生产过程的自动化，可以实现产品的装卸、上下料、堆垛等功能。也可以用在一台或两台带有数控装置的机床上，并与运输和堆垛装置联合，实现生产过程的柔性化，实现在无人的情况下长时间工作，从而大大提高工作效率。主要包括的动作有：手臂的提升、转动与伸缩，手爪的夹紧、松开与转动。根据需要完成的各个动作，设计出相应的气液控制系统，最后把控制每个动作的各个气液控制系统组合起来，就形成了本次设计所需要完成的气液控制系统原理图。如下两图分别为：图2.1气液原理系统图，表2.1各部件名称表,A1A10指各个换向阀。 A2A1 A6 A10 A9 A8 A7A5A4A3图2.1气液原理系统图表2.1各部件名称表2.1手爪夹紧与松开的工作原理1手爪夹紧当实现手抓的夹紧动作，即夹持工件时，换向阀A3左位（y14）通电接通，A8右位（y19）通电接通，压缩空气由气压源1处进入，经过滤器、直动型减压阀和单向阀进入储气罐，然后通过换向阀分别进入两个夹持气缸的右腔，推动活塞杆向左运动，实现对重物的加紧。2手爪松开当实现手爪的松开，即放开工件时，换向阀A3右位（y13）通电接通，换向阀A8左位（y120）通电接通，两个夹持气缸中的活塞在夹持气缸左腔中弹簧的压力下向右运动，右腔中的气体排入大气，实现对工件的松开。2.2手爪转动的工作原理当实现手爪的转动时，换向阀A2左位（y12）通电接通，A7左位（y18）通电接通，压缩空气由气压源1处进入，经过滤器、直动型减压阀和单向阀进入储气罐，然后通过换向阀分别进入两个转动气缸的左腔，推动活塞24向右运动；活塞同时推动齿条26向右运动，齿条再带动齿轮和转动轴转动，从而实现手爪的转动。此时气缸的右腔是与大气相通的，右腔的气体直接排入大气。要实现相反方向的运动，只需改变两个换向阀A2和A7的导通位即可。夹持器的回转角由限位丝杠25来调节。为保证夹持器转动的速度均匀，备有固定在壳体上的液压缓冲器。缓冲器的叶片28装在与转动机构的轴相连的轴上。当轴转动时，叶片28将油由K腔通过节油门和节流阀压到n腔中，以此来调节夹持器的转动速度和转动时间。21 图2.1手爪转动气液控制图图中1指转动气缸，2指液压缓冲器 29 K28N图2.2液压缓冲器结构图中28-叶片，29-节油门25图2.3转动气缸结构图24-活塞， 26-齿条，27-齿轮结论：本文所研究冲压用机器人可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。参考文献1 张秀丽，郑浩峻，陈恳，段广洪.机器人仿生学研究综述.M机器人，2002(3):188-1922 杜家纬.仿生梦幻M.河南科学技术出版社.1999:1-9 3 迟冬祥，颜国正.仿生机器人的研究状况及其未来发展J.机器人，2001,9，PP:476一4804 杜爱林，徐猛华.基于PIC单片机的六足机器人的协调控制J.2004.75 韩建海,赵书尚,张国跃,等.基于PLC单